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Physiologische und molekularbiologische Untersuchungen zur Adaptation von Staphylococcus aureus an anaerobe Bedingungen

  • Auf den inneren und äußeren Oberflächen des Menschen existieren zahlreiche Mikrohabitate mit limitiertem Sauerstoffangebot. Vor allem während infektiöser Vorgänge kann aufgrund einwandernder Neutrophile die Sauerstoffkonzentration im menschlichen Gewebe auf unter 1% sinken. Eine rasche Anpassung an das vorherrschende Sauerstofflevel und die Nutzung effizienter alternativer Atmungsformen oder des Gärungsstoffwechsels sind deshalb entscheidend für das mikrobielle Überleben im menschlichen Wirt. In der vorliegenden Dissertationsarbeit wurde die anaerobe Genexpression von Staphylococcus aureus sowie die zugrundeliegenden regulatorischen Mechanismen näher untersucht. Die sich in vier Teile gliedernde Arbeit befasst sich zunächst mit einer eingehenden Beschreibung der anaeroben Adaptation und Physiologie von S. aureus auf Ebene des Transkriptoms, der Proteinsynthese und des extrazellulären Metaboloms. Die Identifikation eines konservierten Sequenzmotivs (inverted repeat) vor zahlreichen anaerob induzierten Genen war Ausgangspunkt für die Untersuchung der entsprechenden regulatorischen Vorgänge im zweiten Teil dieser Arbeit. Diese führten letztlich in Kooperation mit Arbeitsgruppen aus den USA, Schweden und Deutschland (AG R. Proctor, Universität Wisconsin; AG C. von Wachenfeldt, Universität Lund; AG C. von Eiff, Universität Münster; AG M. Lalk, Universität Greifswald) zu der Identifikation des Rex Proteins (SACOL2035) als zentraler Regulator der anaeroben Genexpression in S. aureus. Neben der Rex-abhängigen Expressionskontrolle wurde in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Friedrich Götz (Universität Tübingen) auch der Einfluss des Zwei-Komponenten¬systems NreBC auf die Genexpression in S. aureus näher untersucht. Auf Ebene des Transkriptoms, Proteoms und Metaboloms konnte so die essentielle Bedeutung des NreBC-Systems für die Expression der dissimilatorischen Nitrat- und Nitritreduktasen in S. aureus nachgewiesen werden. Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Einordnung des anaeroben Proteinsynthese¬musters (Proteomsignatur) in den Kontext zahlreicher anderer stressinduzierter Proteomsignaturen von S. aureus. Die aus diesem komplexen Vergleich gewonnenen Ergebnisse geben detaillierte Einblicke in die Spezifitäten und Gemeinsam¬keiten der Proteinsynthese von S. aureus als Reaktion auf oxidativen Stress (H2O2, Diamid und Paraquat), nitrosativen Stress (NO), Sauerstofflimitation in An- und Abwesenheit von Nitrat, Hitzestress (48°C) sowie subinhibitorische Antibiotikakonzentrationen (Puromycin, Mupirocin). Für die Bereitstellung der entsprechenden Daten wurde im Rahmen dieser Arbeit zudem ein mySQL-basiertes System entwickelt, das die Visualisierung der Daten mit komplexen Abfrage- und Filtermöglichkeiten verknüpft (http://www.aureolib.de). Im letzten Teil gibt diese Arbeit schließlich einen Überblick über die Leistungen und Möglichkeiten der Proteomanalyse hinsichtlich physiologischer und infektionsrelevanter Fragestellungen. Besondere Beachtung findet hier die Aufklärung und Struktur des bereits erwähnten Rex Modulons.
  • Various microhabitats with limited oxygen concentrations exist on the outer and inner surfaces of the human body. For instance, the migration of neutrophils can cause a decrease of oxygen concentration below 1% within infected tissues. Thus, an immediate adaptation as response to the present oxygen level including the use of alternative respiration forms or fermentation pathways can be crucial for the microbial survival in the human host. In the present PhD thesis the anaerobic gene expression of Staphylococcus aureus as well as the underlying regulatory processes were analyzed in detail. First, the anaerobically induced changes were followed on transcriptomic, proteomic and metabolic level resulting in a comprehensive description of the anaerobic physiology of S. aureus. Initialized by the identification of a highly conserved DNA sequence motive (inverted repeat) in front of several anaerobically induced genes the investigation of the regulatory mechanisms on gene expression level started. In cooperation with groups from USA, Sweden, and Germany (R. Proctor and colleagues, University Wisconsin; C. von Wachenfeldt and colleagues, University Lund; C. von Eiff and colleagues, University Münster; M. Lalk and colleagues, University Greifswald) it has been shown that Rex (SACOL2035) plays a central role in the control of the anaerobic gene expression in S. aureus. Furthermore, the two-component-system NreBC has been studied on transcriptomic, proteomic, and metabolic level as well which revealed its essential impact on the expression of the dissimilatory nitrate and nitrite reductases in S. aureus (in cooperation with Fritz Götz and colleagues, University Tübingen). In the third part of this thesis, the anaerobic protein synthesis pattern (proteomic signature) was compared with various other signatures in S. aureus induced by oxidative stress (H2O2, diamide und paraquat), nitrosative stress (NO), heat shock (48°C) as well as subinhibitory concentrations of antibiotics (puromycin, mupirocin). By this the specific and common aspects of the single stress responses has been elucidated. Additionally, a mySQL-based online system was created which stores, provides and visualizes all these data (http://www.aureolib.de). Finally, the importance of gel-based proteomics for physiological and biomolecular research is reviewed in the fourth section.

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Metadaten
Author: Stephan Fuchs
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000941-5
Title Additional (English):Physiological and biomolecular analysis of the adaptation of Staphylococcus aureus to anaerobic conditions
Advisor:Prof. Dr. Michael Hecker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/03/24
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2011/01/06
Release Date:2011/03/24
GND Keyword:Anaerobiose, Genexpression, MRSA, Staphylococcus aureus
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Abteilung für Mikrobiologie und Molekularbiologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie